(57)【要約】【課題】３次元対象物を高解像度に形成することができること。【解決手段】  閉じられた形成空間の上部に配置され、紫外線の照射により硬化するＵＶ硬化インクを形成空間内に吐出するインクヘッド２と、このインクヘッドから吐出されて形成空間内を落下するＵＶ硬化インクに対して紫外線を照射してこのＵＶ硬化インクを硬化させる照射ヘッド３と、インクヘッドからのＵＶ硬化インクの吐出および前記照射ヘッドによる紫外線の照射を制御する制御手段とを備えて３次元対象物形成装置が構成される。【選択図】  図７
2010000808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じられた形成空間と、
前記形成空間の上部に配置され、紫外線の照射により硬化するＵＶ硬化インクを前記形成空間内に吐出するインクヘッドと、
前記インクヘッドから吐出されて前記形成空間内を落下するＵＶ硬化インクに対して紫外線を照射し、当該ＵＶ硬化インクを硬化させる照射ヘッドと、
前記インクヘッドからのＵＶ硬化インクの吐出および前記照射ヘッドによる紫外線の照射を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする３次元対象物形成装置。
【請求項２】
閉じられた形成空間の上部に配置されたインクヘッドから紫外線の照射により硬化するＵＶ硬化インクを前記形成空間内に吐出するインク吐出工程と、
前記インクヘッドから吐出されて前記形成空間内を落下するＵＶ硬化インクに対して紫外線を照射し、当該ＵＶ硬化インクを硬化させるインク硬化工程と、
前記インクヘッドからのＵＶ硬化インクの吐出および前記紫外線の照射を制御する制御工程と、
を含むことを特徴とする３次元対象物形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硬化インクを用いてインクを積層し、所定形状の積層体を形成する３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平面印刷は汎用のインクジェットプリンタ等の印刷装置を用いて行われている。また、立体的な３次元対象物を組み立てる装置が存在する（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の装置は、１個のノズルを用いて、１種類の３次元対象物を組み立てるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３４５３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術にあっては、３次元対象物を高解像度で形成することができなかった。従来の印刷装置は、インクが紙面に浸透するため、３次元対象物を形成することができない。一方、特許文献１に記載された装置では、ノズルから材料を押し出して３次元対象物を組み立てていく構成であるため解像度が粗く（例えば０．２ｍｍ程度）、微少な形状の３次元対象物を高解像度に形成することができなかった。この他、金型を用いて３次元対象物を成形する方法もあるが、この場合、微少化と高解像度化に限度が生じた。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、３次元対象物（特に、微少な球状の対象物）を高解像度に形成することができる３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる３次元対象物形成装置は、閉じられた形成空間と、前記形成空間の上部に配置され、紫外線の照射により硬化するＵＶ硬化インクを前記形成空間内に吐出するインクヘッドと、前記インクヘッドから吐出されて前記形成空間内を落下するＵＶ硬化インクに対して紫外線を照射し、当該ＵＶ硬化インクを硬化させる照射ヘッドと、前記インクヘッドからのＵＶ硬化インクの吐出および前記照射ヘッドによる紫外線の照射を制御する制御手段とを備える。
【０００７】
この発明によれば、インクヘッドから吐出したＵＶ硬化インクを落下させ、落下途中でレーザ照射することにより、ＵＶ硬化インクの吐出量に応じて微少な形状（球状）の３次元対象物を簡単に且つ大量に形成することができる。
【０００８】
一方、本発明に係る３次元対象物形成方法は、閉じられた形成空間の上部に配置されたインクヘッドから紫外線の照射により硬化するＵＶ硬化インクを前記形成空間内に吐出するインク吐出工程と、前記インクヘッドから吐出されて前記形成空間内を落下するＵＶ硬化インクに対して紫外線を照射し、当該ＵＶ硬化インクを硬化させるインク硬化工程と、
前記インクヘッドからのＵＶ硬化インクの吐出および前記紫外線の照射を制御する制御工程とを含む。
【０００９】
この方法によれば、インクヘッドから吐出したＵＶ硬化インクを落下させ、落下途中でレーザ照射することにより、ＵＶ硬化インクの吐出量に応じて微少な形状の３次元対象物を形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法によれば、ＵＶ硬化インクを用いて微笑な球状の３次元対象物を高解像度に形成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】インク積層による３次元対象物形成装置を示す構成図である。
【図２】インク積層による３次元対象物の形成手順を示すフローチャートである。
【図３】レーザヘッド３の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】３次元対象物の一例であるマイクロ部品を示す図である。
【図５】３次元対象物の一例である半透明板を示す図である。
【図６】３次元対象物の一例であるフレネルレンズを示す図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる３次元対象物形成装置を示す構成図である。
【図８】本発明に係る３次元対象物形成装置により形成された３次元対象物が用いられる適用対象としての液晶パネルを示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明するが、まず、本発明に関連するものとしてのインク積層による３次元対象物形成装置および方法について説明する。
【００１３】
図１は、本発明に関連する装置として、インク積層による３次元対象物形成装置を示す構成図である。３次元対象物形成装置１は、紫外線（ＵＶ）硬化インクを吐出するインクヘッド２と、インクヘッド２から吐出されたＵＶ硬化インクに紫外線（ＵＶ）を照射して硬化させるためのレーザヘッド３を備える。実施の形態１の構成においては、インクヘッド２から吐出されたＵＶ硬化インクは、平滑面部材４上に積層され、３次元対象物を形成する。このため平滑面部材４はＵＶ硬化インクが染み込まない材質（例えばプラスチック材料等）により形成されたものを用いる。
【００１４】
インクヘッド２およびレーザヘッド３は、Ｘ軸方向に主走査移動され、平滑面部材４はＸ軸に直交するＹ軸方向に副走査移動される。これらの移動は図示しないモータを駆動源として行われる。
【００１５】
レーザヘッド３は、インクヘッド２の走査に追従する形で吐出後のＵＶ硬化インクに対するレーザ照射を行い、ＵＶ硬化インクを硬化させる。
【００１６】
制御部５は、インクヘッド２のインク吐出を制御し、また、このインクヘッド２と、レーザヘッド３と、平滑面部材４の走査（相対移動）を制御して３次元対象物の形成を行う。この制御部５には、各種設定や入力操作を行うための設定部６と、設定部６により設定された３次元対象物の形状データ等を記憶する記憶部７が接続されている。制御部５は、記憶部７に記憶されている形状データに従ってインクヘッド２、レーザヘッド３、平滑面部材４の動作を制御して形状データに対応する３次元対象物を形成する。以上説明した３次元対象物形成装置１は、汎用のインクジェットプリンタの基本構造を用いて容易に構成することができる。
【００１７】
図２は、インク積層による３次元対象物の形成手順を示すフローチャートである。はじめに、制御部５は、初期設定を行う（ステップＳ１）。この初期設定では、インクヘッド２と平滑面部材４をＸ，Ｙ軸の原点位置に位置決めする。
【００１８】
次に、制御部５は記憶部７の形状データを読み出し、この形状データに従ってインクヘッド２をＸ軸方向に走査し、平滑面部材４をＹ軸方向に走査してＵＶ硬化インクを吐出させ、第１層（最下層）を形成する（ステップＳ２）。また、インクヘッド２の走査に追従する形でレーザヘッド３を同じＸ軸方向に移動させる。レーザヘッド３のＸ軸方向への移動が終了した後、レーザヘッド３とインクヘッド２を走査前の位置に復帰させる。このようにして、ＵＶ硬化インクは１層あたり数μｍの高さで形成することができる。これは、前述した従来の３次元対象物形成装置に比して１／１００の高さであり、１００倍の解像度で微細な形状を形成できることになる。
【００１９】
ここで、制御部５は、第１層の形成が終了したかを判断する（ステップＳ３）。第１層の形成が終了していない場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ２に戻り、第１層の形成を継続する。そして、第１層の形成が終了した場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、第２層以降の層（第ｎ＋１層）の形成を行う（ステップＳ４）。
【００２０】
第２層以降の層（第ｎ＋１層）の形成についても、第１層の形成と同様に行い、積層することにより３次元対象物を層形成することができる。そして第２層以降の層（第ｎ＋１層）の形成が終了したかを判断する（ステップＳ５）。第ｎ＋１層の形成が終了していない場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ４に戻り、第ｎ＋１層の形成を継続する。そして、第ｎ＋１層の形成が終了した場合には（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、その層が最終層（最上層）であるか確認する（ステップＳ６）。最終層でなければ（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ４へ戻り、ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返し行う。そして、ステップＳ６において、最終層である場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）は、３次元対象物の形成が完成し、一連の処理を終了する。
【００２１】
以上のように、３次元対象物は、ステップＳ２、およびステップＳ４において１層分ずつ形成する毎に、インクヘッド２をＸ軸方向に走査し、平滑面部材４をＹ軸方向に走査させ、ＵＶ硬化インクを吐出して行う。そして、層数を重ねて積層することにより、任意の形状の３次元対象物を形成することができる。
【００２２】
上記処理により３次元対象物は、平滑面部材４上に積層して形成される。この平滑面部材４は、積層されたＵＶ硬化インクが染み込まず、形成された３次元対象物から離型させることにより、３次元対象物を部品として取り扱うことができる。また、平滑面部材４自体を溶解させたり、平滑面部材４の表面に剥離自在なシートを設けて平滑面部材４からシートを剥離させた後、シートから３次元対象物を剥離させる構成としてもよい。この他、平滑面部材４を溶解させる構成としてもよい。この場合、積層形成したＵＶ硬化インクが溶解せず、平滑面部材４のみが溶解する溶解液を用いる。
【００２３】
このように、平滑面部材４上にＵＶ硬化インクを積層させることにより、３次元対象物を高解像度で緻密に形成できるようになる。
【００２４】
次に、上記インク積層による３次元対象物形成装置において説明したレーザヘッド３の制御を説明する。
【００２５】
レーザヘッド３は、インクヘッド２の走査に追従する形で吐出後のＵＶ硬化インクに対するレーザ照射を行い、ＵＶ硬化インクを硬化させるものであるが、この照射時期および照射光のパワーは、設定によりＵＶ硬化インク吐出後において可変することができる。すなわち、ＵＶ硬化インクの吐出後、レーザを照射する時期を可変することにより、ＵＶ硬化インクの硬化状態を変えて１回の吐出による積層高さを調整することができる。
【００２６】
図３は、レーザヘッド３の制御手順を示すフローチャートである。図示の例は、インクヘッド２によるＵＶ硬化インクの吐出後におけるレーザヘッド３によるレーザ照射の時期を可変する構成である。
【００２７】
はじめに、１層あたりの層厚を一定な値にするか否か判断する（ステップＳ１１）。１層辺りの層厚を一定にするときには（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、図１に示すようにレーザヘッド３をインクヘッド２に一定間隔Ｌで追従させる（ステップＳ１２）。これにより、インクヘッド２によるＵＶ硬化インクの吐出後におけるレーザヘッド３によるレーザ照射の開始時期を一定とし、１層あたりの層厚を一定にすることができる。
【００２８】
一方、１層あたりの層厚を一定ではなく変えるときには（ステップＳ１１：Ｎｏ）、インクヘッド２に対するレーザヘッド３の間隔を変更する。層厚を厚めにするときには（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、レーザヘッド３とインクヘッド２の間隔Ｌを縮める（ステップＳ１４）。すなわち、インクヘッド２によるＵＶ硬化インクの吐出後、レーザヘッド３によるレーザ照射の開始時期を早めることにより、ＵＶ硬化インクが周囲に拡散しないうちにＵＶ硬化インクを硬化させることができ、１層あたりの層厚を厚くする。
【００２９】
また、層厚を薄めにするときには（ステップＳ１３：Ｎｏ）、レーザヘッド３とインクヘッド２の間隔Ｌを拡げる（ステップＳ１５）。すなわち、インクヘッド２によるＵＶ硬化インクの吐出後、レーザヘッド３によるレーザ照射の開始時期を遅くすることにより、ＵＶ硬化インクが周囲にある程度拡散させてからＵＶ硬化インクを硬化させることができ、１層あたりの層厚を薄くする。
【００３０】
このように、インクヘッド２とレーザヘッド３の追従関係を可変するだけで１層あたりの層厚を容易に可変することができるようになる。また、インクヘッド２によるＵＶ硬化インクの吐出後におけるレーザヘッド３によるレーザ照射の開始時期を調整することによって、１層あたりの層厚を微調整することもできるようになる。これにより、１層あたりの層厚を調整して３次元対象物をより高解像度に形成できるようになる。
【００３１】
上記説明では、レーザ光の照射パワーを一定とし、インクヘッド２とレーザヘッド３の追従関係を可変する構成としたが、これに限らず、インクヘッド２とレーザヘッド３の追従関係を一定とし、レーザ光の照射パワーを変える制御によってもＵＶ硬化インクの硬化状態を変更することができる。レーザ光の照射パワーが強いほどＵＶ硬化インクは早く硬化し、レーザ光の照射パワーが弱いほどＵＶ硬化インクの硬化は遅くなる。また、インクヘッド２とレーザヘッド３の追従関係を可変させ、レーザ光の照射パワーについても可変する構成にもできる。
【００３２】
次に、上記インク積層による３次元対象物形成装置による形成される３次元対象物の具体例を説明する。図４は、３次元対象物の一例であるマイクロ部品を示す図である。図示のように平滑面部材４上にＵＶ硬化インクを積層することにより一部に凸部１０ａを有するマイクロ部品１０を形成することができる。図４の構成例では所定の範囲のＵＶ硬化インクをさらに積層させて凸部１０ａを形成する。不図示ではあるが、一部の範囲のみＵＶ硬化インクの積層を行わなければ部品内に凹部を形成することもできる。このマイクロ部品は、マイクロマシンを構成する部品の一部として用いることができる。
【００３３】
図５は、３次元対象物の一例である半透明板を示す図である。図示のように平滑面部材４上にＵＶ硬化インクを用いて一定間隔毎、あるいは不定な間隔で所定形状の突起部１５ａを形成することにより、突起部１５ａ部分の光透過性を低減させた半透明板１５を形成することができる。この半透明板１５はスリガラスと同様な用途に用いることができる。なお、この半透明板１５には透明状のＵＶ硬化インクを用いる。
【００３４】
図６は、３次元対象物の一例であるフレネルレンズを示す図である。図示のように平滑面部材４上にＵＶ硬化インクを用いて一定間隔毎に階段状となるレンズ部２０ａを形成することにより、フレネルレンズ２０を形成することができる。なお、このフレネルレンズ２０には光透過性を有するＵＶ硬化インクを用いる。
【００３５】
上記構成例以外の他の３次元対象物としては、一定間隔でギヤを有する歯車や、点字用の突起、凹凸感を出した油絵などがある。油絵の場合、複数色のインクヘッドを用い各色別にＵＶ硬化インクを吐出する構成にすればよい。
【００３６】
（本発明に係る実施形態）
以下において、本発明に係る３次元対象物形成装置および方法の具体的な実施形態について説明する。この実施形態では、平滑面部材４を用いずにＵＶ硬化インクを硬化させて所定形状の微少な３次元対象物を形成するものである。図７は、本発明の実施形態に係る３次元対象物形成装置を示す構成図である。
【００３７】
図示しないが閉じられた形成空間内の上部には、インク吐出部であるインクヘッド２が設けられ、１回あたり所定量のＵＶ硬化インク３０を吐出し、落下させる。このＵＶ硬化インク３０の落下途中にはレーザヘッド３のレーザビーム３１が照射され、ＵＶ硬化インク３０を硬化させる。硬化後のＵＶ硬化インク３０は数μｍの直径を有する球体となる。インクヘッド２におけるＵＶ硬化インク３０の吐出制御、およびレーザヘッド３によるレーザビーム３１の照射パワーは図１同様の制御部５が制御する。
【００３８】
また、レーザヘッド３によるレーザビーム３１の照射位置は、図示のように上下させることができ、上記インク積層による３次元対象物形成装置の場合と同様に、インク吐出後におけるレーザビーム３１の照射時期を可変してＵＶ硬化インクの硬化状態を調整することができる。
【００３９】
上記構成によりＵＶ硬化インク３０を用いて形成された微少な球体は、例えば液晶パネルのギャップ材として用いることができる。図８は、この発明により形成された３次元対象物が用いられる適用対象としての液晶パネルを示す側断面図である。液晶パネル４０は一対のガラス板４１の四方にスペーサ４２を配置して内部に液晶体４３を保持する。この一対のガラス板４１同士の間には、上記ＵＶ硬化インク３０を用いて形成された球体を配置し、ガラス板４１同士の間隔を保持する。現在、ギャップ材は金、銀等により形成されコスト高であるが、ＵＶ硬化インク３０として銅を含んだプラスチックを用いることにより、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
このように、本発明によれば、インクヘッド２から１滴単位でＵＶ硬化インクを吐出および落下させることにより、この１滴単位で微少な形状の３次元対象物を形成することができる。
【００４１】
以上説明したように、３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法によれば、ＵＶ硬化インクを積層させて３次元対象物を高解像度に形成することができる。また、微少な形状の３次元対象物であっても高解像度に形成することができる。加えて積層による形成に限らず、ＵＶ硬化インクを吐出後落下させることにより、１滴単位で微少な３次元対象物を形成することができる。
【００４２】
なお、上記各実施の形態において説明したインクヘッド２は、吐出するＵＶ硬化インクの粘度が異なるもの別に複数のインクヘッド２を備える構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる３次元対象物形成装置および３次元対象物形成方法は、精密であったり微少な３次元対象物の形成に有用であり、特に、微少であったり精密な部品、その他の３次元対象物を形成する装置全般に適している。
【符号の説明】
【００４４】
１  ３次元対象物形成装置
２  インクヘッド
３  レーザヘッド
４  平滑面部材
５  制御部
６  設定部
７  記憶部
【図１】
2010000808.tif 000003
【図２】
2010000808.tif 000004
【図３】
2010000808.tif 000005
【図４】
2010000808.tif 000006
【図５】
2010000808.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010000808.tif 000009
【図８】
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